JP2001336414A - 排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置 - Google Patents
排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置Info
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Abstract
ルタ上において連続的に酸化除去させる。 【解決手段】 機関排気通路内にパティキュレートフィ
ルタ22を配置する。単位時間当りに燃焼室5から排出
される排出微粒子量をパティキュレートフィルタ22上
において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去
可能な酸化除去可能微粒子量よりも少なくし、それによ
って排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ2
2上において輝炎を発することなく連続的に酸化除去せ
しめる。
Description
よび排気ガス浄化装置に関する。
気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通
路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティ
キュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕
集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子
を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィル
タを再生するようにしている。ところがパティキュレー
トフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の
高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機
関の排気ガス温は通常、600℃よりもかなり低い。従
って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に
捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排気ガ
ス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された
微粒子を着火させるためには微粒子の着火温度を低くし
なければならない。
タ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できる
ことが知られており、従って従来より微粒子の着火温度
を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレ
ートフィルタが公知である。例えば特公平7−1062
90号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金
属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させた
パティキュレートフィルタが開示されている。このパテ
ィキュレートフィルタではほぼ350℃から400℃の
比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に
燃焼せしめられる。
荷が高くなれば排気ガス温が350℃から400℃に達
し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見し
たところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によっ
て微粒子を着火燃焼せしめることができるように見え
る。しかしながら実際には排気ガス温が350℃から4
00℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、また
たとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼
せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微
粒子量が少なく、このときには排気ガス温が350℃か
ら400℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒
子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。しかし
ながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパテ
ィキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼
する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結
果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積
する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子
が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子
は燃焼せしめられるが酸素と接触しずらい残りの微粒子
は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることにな
る。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなると
パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続
けることになる。
の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着
火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのは
おそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずら
いグラフィイト等に変化するからであると考えられる。
事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆
積し続けると350℃から400℃の低温では堆積した
微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるため
には600℃以上の高温が必要となる。しかしながらデ
ィーゼル機関では通常、排気ガス温が600℃以上の高
温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ
上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって
堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着
火するがこの場合には別の問題を生ずる。即ち、この場
合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発して
燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は堆
積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘り800
℃以上に維持される。しかしながらこのようにパティキ
ュレートフィルタが長時間に亘り800℃以上の高温に
さらされるとパティキュレートフィルタが早期に劣化
し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早期に
交換しなければならないという問題が生ずる。
とアッシュが凝縮して大きな塊まりとなり、これらアッ
シュの塊まりによってパティキュレートフィルタの細孔
が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経
過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィ
ルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排
気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯
くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と
早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排
気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィル
タ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて
多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要があ
る。しかしながら上述の公報に記載されたパティキュレ
ートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量とパテ
ィキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量と
のバランスについては何ら考えておらず、斯くして上述
したように種々の問題を生じることになる。
レートフィルタでは排気ガス温が350℃以下になると
微粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィル
タ上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なけれ
ば排気ガス温が350℃から400℃になったときに堆
積した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層
状に堆積すると排気ガス温が350℃から400℃にな
ったときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火した
としても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生
じる。
る前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え
残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に
記載されたパティキュレートフィルタではこのようなこ
とは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状
に堆積した場合には排気ガス温を600℃以上に上昇さ
せない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができ
ない。
めに1番目の発明では、燃焼室から排出された排気ガス
中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタ
として、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒
子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当
りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能
微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパ
ティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発すること
なく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを
用い、排出微粒子量を酸化除去可能微粒子量よりも少な
くしうる機関の運転状態のときには排出微粒子量が酸化
除去可能微粒子量よりも少なくなるように排出微粒子量
又は酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御するよ
うにしている。
パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持してい
る。3番目の発明では2番目の発明において、周囲に過
剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周
囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形
で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ
上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付
着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、
放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ
上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又
は希土類又は遷移金属からなる。5番目の発明では4番
目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金
属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からな
る。6番目の発明では3番目の発明において、活性酸素
放出剤は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガ
スの空燃比がリーンのときには排気ガス中のNOxを吸
収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空
燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOx を
放出する機能を有している。
酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温
度の関数である。8番目の発明では7番目の発明におい
て、酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ
の温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又はNOx 濃度の
少くとも一つの関数である。
酸化除去可能微粒子量が少くともパティキュレートフィ
ルタの温度の関数として予め記憶されている。10番目
の発明では1番目の発明において、排出微粒子量を酸化
除去可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運転状態の
ときに排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量とが互いに
近づいたときには排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量
よりも少なくかつ排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量
との差が大きくなるように排出微粒子量と酸化除去可能
微粒子量の少くとも一方を制御するようにしている。
て、パティキュレートフィルタの温度を上昇させること
により排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量との差を大
きくするようにしている。12番目の発明では10番目
の発明において、排出微粒子量を減少させることにより
排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量との差を大きくす
るようにしている。
て、排気ガス中の酸素濃度を高めることにより排出微粒
子量と酸化除去可能微粒子量との差を大きくするように
している。14番目の発明では、燃焼室から排出された
排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレート
フィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される
排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単
位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化
除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微
粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発
することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフ
ィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単
位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられ
る酸化除去微粒子量を算出し、排出微粒子量を酸化除去
可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運転状態のとき
には排出微粒子量が酸化除去微粒子量よりも少なくなる
ように排出微粒子量又は酸化除去可能微粒子量の少くと
も一方を制御するようにしている。
た排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレー
トフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出され
る排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において
単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸
化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の
微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を
発することなく酸化除去せしめられかつパティキュレー
トフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき
には排気ガス中のNOx を吸収しパティキュレートフィ
ルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッ
チになると吸収したNOx を放出する機能を有するパテ
ィキュレートフィルタを用い、排出微粒子量を酸化除去
可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運転状態のとき
には排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なく
なるように排出微粒子量又は酸化除去可能微粒子量の少
くとも一方を制御するようにしている。16番目の発明
では、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス
中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタ
を配置し、パティキュレートフィルタとして、単位時間
当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュ
レートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発する
ことなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少
ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフ
ィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せし
められるパティキュレートフィルタを用い、排出微粒子
量を酸化除去可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運
転状態のときには排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量
よりも少なくなるように排出微粒子量又は酸化除去可能
微粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備して
いる。
て、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持し
ている。18番目の発明では17番目の発明において、
周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持
しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性
酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレート
フィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微
粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放
出させ、放出された活性酸素によってパティキュレート
フィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしてい
る。
て、活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金
属又は希土類又は遷移金属からなる。20番目の発明で
は19番目の発明において、アルカリ金属およびアルカ
リ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属
からなる。21番目の発明では18番目の発明におい
て、活性酸素放出剤は、パティキュレートフィルタに流
入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中
のNOx を吸収しパティキュレートフィルタに流入する
排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収
したNOx を放出する機能を有している。
て、酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタ
の温度の関数である。23番目の発明では22番目の発
明において、酸化除去可能微粒子量はパティキュレート
フィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又はNO
x 濃度の少くとも一つの関数である。
て、酸化除去可能微粒子量を少くともパティキュレート
フィルタの温度の関数の形で予め記憶している記憶手段
を具備している。25番目の発明では16番目の発明に
おいて、制御手段は、排出微粒子量を酸化除去可能微粒
子量よりも少なくしうる機関の運転状態のときに排出微
粒子量と酸化除去可能微粒子量とが互いに近づいたとき
には排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なく
かつ排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量との差が大き
くなるように排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量の少
くとも一方を制御する。
て、制御手段は、パティキュレートフィルタの温度を上
昇させることによって排出微粒子量と酸化除去可能微粒
子量との差を大きくする。27番目の発明では26番目
の発明において、制御手段は、排気ガス温が上昇するよ
うに燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御
することによってパティキュレートフィルタの温度を上
昇させる。
て、制御手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか、又
は主燃料に加え補助燃料を噴射することによって排気ガ
ス温を上昇させる。29番目の発明では26番目の発明
において、機関が、再循環排気ガス量を増大していくと
煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気
ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機
関からなり、制御手段は、再循環排気ガス量を煤の発生
量がピークとなる再循環排気ガス量よりも多くすること
によって排気ガス温を上昇させ、それによってパティキ
ュレートフィルタの温度を上昇させる。
て、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化
水素供給装置を配置し、炭化水素供給装置から排気通路
内に炭化水素を供給することによってパティキュレート
フィルタの温度を上昇させる。31番目の発明では26
番目の発明において、パティキュレートフィルタ下流の
排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁を閉弁す
ることによってパティキュレートフィルタの温度を上昇
させる。
て、排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するため
のウエストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャ
を具備しており、ウエストゲートバルブを開弁すること
によってパティキュレートフィルタの温度を上昇させ
る。33番目の発明では25番目の発明において、制御
手段は、排出微粒子量を減少させることによって排出微
粒子量と酸化除去可能微粒子量との差を大きくする。
て、制御手段は、排出微粒子量が減少するように燃料噴
射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴
射を制御する。35番目の発明では33番目の発明にお
いて、吸入空気を過給するための過給手段を具備し、制
御手段は、過給圧を増大させることによって排出微粒子
量を減少させる。
て、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガ
ス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率
を減少させることによって排出微粒子量を減少させる。
37番目の発明では25番目の発明において、制御手段
は、排気ガス中の酸素濃度を高めることによって排出微
粒子量と酸化除去可能微粒子量との差を大きくする。
て、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガ
ス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率
を減少させることによって排気ガス中の酸素濃度を高く
する。39番目の発明では37番目の発明において、パ
ティキュレートフィルタ上流の排気通路内に2次空気を
供給するための2次空気供給装置を具備し、制御手段
は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に2次
空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を高
くする。
焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するため
のパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレー
トフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出され
る排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において
単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸
化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の
微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を
発することなく酸化除去せしめられるパティキュレート
フィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において
単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめら
れる酸化除去微粒子量を算出する算出手段と、排出微粒
子量を酸化除去可能微粒子量よりも少なくしうる機関の
運転状態のときには排出微粒子量が酸化除去微粒子量よ
りも少なくなるように排出微粒子量又は酸化除去可能微
粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備してい
る。41番目の発明では、機関排気通路内に燃焼室から
排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティ
キュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィル
タとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微
粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間
当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可
能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子が
パティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発するこ
となく酸化除去せしめられかつパティキュレートフィル
タに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気
ガス中のNOx を吸収しパティキュレートフィルタに流
入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになる
と吸収したNOx を放出する機能を有するパティキュレ
ートフィルタを用い、排出微粒子量を酸化除去可能微粒
子量よりも少なくしうる機関の運転状態のときには排出
微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるよう
に排出微粒子量又は酸化除去可能微粒子量の少くとも一
方を制御する制御手段を具備している。
関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点
火式内燃機関にも適用することもできる。図1を参照す
ると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリ
ンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御
式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気
弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応
する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結さ
れ、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気タ
ーボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。
吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動さ
れるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13
周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却する
ための冷却装置18が配置される。図1に示される実施
例では機関冷却水が冷却装置18内に導びかれ、機関冷
却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート
10は排気マニホルド19および排気管20を介して排
気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結さ
れ、排気タービン21の出口はパティキュレートフィル
タ22を内蔵したケーシング23に連結される。
は排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介
して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式
EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24
周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却す
るための冷却装置26が配置される。図1に示される実
施例では機関冷却水が冷却装置26内に導びかれ、機関
冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料
噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわ
ゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール
27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28か
ら燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃
料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給され
る。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧
を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料
圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内
の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐
出量が制御される。電子制御ユニット30はデジタルコ
ンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに
接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM
(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプ
ロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36
を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するA
D変換器37を介して入力ポート35に入力される。ま
た、パティキュレートフィルタ22にはパティキュレー
トフィルタ22の温度を検出するための温度センサ39
が取付けられ、この温度センサ39の出力信号は対応す
るAD変換器37を介して入力ポート35に入力され
る。アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込
み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が
接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変
換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入
力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転
する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が
接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路
38を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステッ
プモータ16、EGR制御弁25、および燃料ポンプ2
8に接続される。
ペダル40の踏込み量Lと、機関回転数Nとの関係を示
している。なお、図2(A)において各曲線は等トルク
曲線を表しており、TQ=0で示される曲線はトルクが
零であることを示しており、残りの曲線はTQ=a,T
Q=b,TQ=c,TQ=dの順に次第に要求トルクが
高くなる。図2(A)に示される要求トルクTQは図2
(B)に示されるようにアクセルペダル40の踏込み量
Lと機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM
32内に記憶されている。本発明による実施例では図2
(B)に示すマップからアクセルペダル40の踏込み量
Lおよび機関回転数Nに応じた要求トルクTQがまず初
めに算出され、この要求トルクTQに基づいて燃料噴射
量等が算出される。
造を示す。なお、図3において(A)はパティキュレー
トフィルタ22の正面図を示しており、(B)はパティ
キュレートフィルタ22の側面断面図を示している。図
3(A)および(B)に示されるようにパティキュレー
トフィルタ22はハニカム構造をなしており、互いに平
行をなして延びる複数個の排気流通路50,51を具備
する。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞さ
れた排気ガス流入通路50と、上流端が栓53により閉
塞された排気ガス流出通路51とにより構成される。な
お、図3(A)においてハッチングを付した部分は栓5
3を示している。従って排気ガス流入通路50および排
気ガス流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配
置される。云い換えると排気ガス流入通路50および排
気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路50が4つの
排気ガス流出通路51によって包囲され、各排気ガス流
出通路51が4つの排気ガス流入通路50によって包囲
されるように配置される。
ージライトのような多孔質材料から形成されており、従
って排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは図3
(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁54内
を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路50および
各排気ガス流出通路51の周壁面、即ち各隔壁54の両
側表面上および隔壁54内の細孔内壁面上には例えばア
ルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上
に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素
を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下する
と保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出
剤が担持されている。
触媒として白金Ptが用いられており、活性酸素放出剤
としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セ
シウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バ
リウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのよ
うなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウム
Y、セリウムCeのような希土類、および錫Sn、鉄F
eのような遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いら
れている。
ルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又
はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、
セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロ
ンチウムSrを用いるか、或いはセリウムCeを用いる
ことが好ましい。次にパティキュレートフィルタ22に
よる排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金
PtおよびカリウムKを担持させた場合を例にとって説
明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金
属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用
が行われる。
では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは
多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路、燃焼室
5および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排
気ガスの空燃比と称すると図1に示されるような圧縮着
火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなってい
る。また、燃焼室5内ではNOが発生するので排気ガス
中にはNOが含まれている。また、燃料中にはイオウS
が含まれており、このイオウSは燃焼室5内で酸素と反
応してSO2 となる。従って排気ガス中にはSO2 が含
まれている。従って過剰酸素、NOおよびSO2 を含ん
だ排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス
流入通路50内に流入することになる。
路50の内周面および隔壁54内の細孔内壁面上に形成
された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。
なお、図4(A)および(B)において60は白金Pt
の粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活
性酸素放出剤を示している。上述したように排気ガス中
には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパテ
ィキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内に
流入すると図4(A)に示されるようにこれら酸素O2
がO2 - 又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一
方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 - 又は
O2-と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO
2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸
化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウム
Kと結合しながら図4(A)に示されるように硝酸イオ
ンNO3 - の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、一部
の硝酸イオンNO3 - は硝酸カリウムKNO3 を生成す
る。
2 も含まれており、このSO2 もNOと同様なメカニズ
ムによって活性酸素放出剤61内に吸収される。即ち、
上述したように酸素O2 がO2 - 又はO2-の形で白金P
tの表面に付着しており、排気ガス中のSO2 は白金P
tの表面でO2 - 又はO2-と反応してSO3 となる。次
いで生成されたSO3 の一部は白金Pt上で更に酸化さ
れつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと
結合しながら硫酸イオンSO4 2- の形で活性酸素放出剤
61内に拡散し、硫酸カリウムK2 SO4 を生成する。
このようにして活性酸素放出触媒61内には硝酸カリウ
ムKNO3 および硫酸カリウムK2 SO 4 が生成され
る。
Cからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこ
れら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれている
これら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ2
2の排気ガス流入通路50内を流れているときに、或い
は排気ガス流入通路50から排気ガス流出通路51に向
かうときに図4(B)において62で示されるように担
体層の表面、例えば活性酸素放出剤61の表面上に接触
し、付着する。
1の表面上に付着すると微粒子62と活性酸素放出剤6
1との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下
すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤61内との間で濃
度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤61内の酸素が微
粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向けて移動
しようとする。その結果、活性酸素放出剤61内に形成
されている硝酸カリウムKNO3 がカリウムKと酸素O
とNOとに分解され、酸素Oが微粒子62と活性酸素放
出剤61との接触面に向かい、NOが活性酸素放出剤6
1から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流
側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤
61内に吸収される。
成されている硫酸カリウムK2 SO 4 もカリウムKと酸
素OとSO2 とに分解され、酸素Oが微粒子62と活性
酸素放出剤61との接触面に向かい、SO2 が活性酸素
放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたS
O2 は下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性
酸素放出剤61内に吸収される。
の接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNO3 や硫酸
カリウムK2 SO4 のような化合物から分解された酸素
である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを
有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子6
2と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素は活性
酸素Oとなっている。これら活性酸素Oが微粒子62に
接触すると微粒子62の酸化作用が促進され、微粒子6
2は数分から数10分の短時間のうちに輝炎を発するこ
となく酸化せしめられる。このように微粒子62が酸化
せしめられている間に他の微粒子が次から次へとパティ
キュレートフィルタ22に付着する。従って実際にはパ
ティキュレートフィルタ22上には或る程度の量の微粒
子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうち
の一部の微粒子が酸化除去せしめられることになる。こ
のようにしてパティキュレートフィルタ22上に付着し
た微粒子62が輝炎を発することなく連続燃焼せしめら
れる。なお、NOx は酸素原子の結合および分離を繰返
しつつ活性酸素放出剤61内において硝酸イオンNO3 -
の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が
発生する。微粒子62はこの活性酸素によっても酸化せ
しめられる。また、このようにパティキュレートフィル
タ22上に付着した微粒子62は活性酸素Oによって酸
化せしめられるがこれら微粒子62は排気ガス中の酸素
によっても酸化せしめられる。
に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキ
ュレートフィルタ22が赤熱し、火炎を伴って燃焼す
る。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せ
ず、従ってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるた
めにはパティキュレートフィルタ22の温度を高温に維
持しなければならない。
したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、この
ときパティキュレートフィルタ22の表面が赤熱するこ
ともない。即ち、云い換えると本発明ではかなり低い温
度でもって微粒子62が酸化除去せしめられている。従
って本発明による輝炎を発しない微粒子62の酸化によ
る微粒子除去作用は火炎を伴う燃焼による微粒子除去作
用と全く異なっている。
1はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほ
ど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤61が
放出しうる活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタ
22の温度が高くなるほど増大する。また当然のことな
がら微粒子は微粒子自身の温度が高いほど酸化除去され
やすくなる。従ってパティキュレートフィルタ22上に
おいて単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可
能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ
22の温度が高くなるほど増大する。
ことなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示し
ており、図6の横軸はパティキュレートフィルタ22の
温度TFを示している。なお、図6は単位時間を1秒と
した場合の、即ち1秒当りの酸化除去可能微粒子量Gを
示しているがこの単位時間としては1分、10分等任意
の時間を採用することができる。例えば単位時間として
10分を用いた場合には単位時間当りの酸化除去可能微
粒子量Gは10分間当りの酸化除去可能微粒子量Gを表
すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ
22上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸
化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gは図6に示される
ようにパティキュレートフィルタ22の温度が高くなる
ほど増大する。さて、単位時間当りに燃焼室5から排出
される微粒子の量を排出微粒子量Mと称するとこの排出
微粒子量Mが同じ単位時間当りに酸化除去可能微粒子G
よりも少ないとき、例えば1秒当りの排出微粒子量Mが
1秒当りの酸化除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、
或いは10分当りの排出微粒子量Mが10分当りの酸化
除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、即ち図6の領域
Iでは燃焼室5から排出された全ての微粒子がパティキ
ュレートフィルタ22上において輝炎を発することなく
順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。
能微粒子量Gよりも多いとき、即ち図6の領域IIでは全
ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足してい
る。図5(A)〜(C)はこのような場合の微粒子の酸
化の様子を示している。即ち、全ての微粒子を順次酸化
するには活性酸素量が不足している場合には図5(A)
に示すように微粒子62が活性酸素放出剤61上に付着
すると微粒子62の一部のみが酸化され、十分に酸化さ
れなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活
性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと
酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その
結果図5(B)に示されるように担体層の表面が残留微
粒子部分63によって覆われるようになる。
3は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くし
てこの残留微粒子部分63はそのまま残留しやすくな
る。また、担体層の表面が残留微粒子部分63によって
覆われると白金PtによるNO,SO2 の酸化作用およ
び活性酸素放出剤61からの活性酸素の放出作用が抑制
される。その結果、図5(C)に示されるように残留微
粒子部分63の上に別の微粒子64が次から次へと堆積
する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。こ
のように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白
金Ptや活性酸素放出剤61から距離を隔てているため
にたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸
素Oによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子
64上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即
ち、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多
い状態が継続するとパティキュレートフィルタ22上に
は微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温
にするか、或いはパティキュレートフィルタ22の温度
を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させる
ことができなくなる。
ィキュレートフィルタ22上において輝炎を発すること
なく短時間のうちに酸化せしめられ、図6の領域IIでは
微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆
積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ22
上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子
量Mを常時酸化除去可能微粒子量Gよりも少くしておく
必要がある。
いられているパティキュレートフィルタ22ではパティ
キュレートフィルタ22の温度TFがかなり低くても微
粒子を酸化させることが可能であり、従って図1に示す
圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Mおよびパテ
ィキュレートフィルタ22の温度TFを排出微粒子量M
が酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少なくなるように
維持することが可能である。従って本発明による実施例
においては排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィ
ルタ22の温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微
粒子量Gよりも通常少なくなるように維持するようにし
ている。
微粒子量Gよりも通常少なくなるように維持するとパテ
ィキュレートフィルタ22上に微粒子が積層状に堆積し
なくなる。その結果、パティキュレートフィルタ22に
おける排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化す
ることなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くし
て機関の出力低下を最小限に維持することができる。
はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレー
トフィルタ22の温度はさほど上昇せず、斯くしてパテ
ィキュレートフィルタ22が劣化する危険性はほとんど
ない。また、パティキュレートフィルタ22上に微粒子
が積層状に堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が
少なく、従ってパティキュレートフィルタ22が目詰ま
りする危険性が少なくなる。
ムCaSO4 によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカ
ルシウムCaを含んでおり、従って排気ガス中にカルシ
ウムCaが含まれている。このカルシウムCaはSO3
が存在すると硫酸カルシウムCaSO4 を生成する。こ
の硫酸カルシウムCaSO4 は固体であって高温になっ
ても熱分解しない。従って硫酸カルシウムCaSO4 が
生成され、この硫酸カルシウムCaSO4 によってパテ
ィキュレートフィルタ22の細孔が閉塞されると目詰ま
りを生ずることになる。
1としてカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアル
カリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムKを用
いると活性酸素放出剤61内に拡散するSO3 はカリウ
ムKと結合して硫酸カリウムK2 SO4 を形成し、カル
シウムCaはSO3 と結合することなくパティキュレー
トフィルタ22の隔壁54を通過して排気ガス流出通路
51内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ2
2の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述し
たように活性酸素放出剤61としてはカルシウムCaよ
りもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類
金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、
ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを
用いることが好ましいことになる。
ての運転状態において排出微粒子量Mが酸化除去可能微
粒子量Gよりも少なくなるように維持することを意図し
ている。しかしながら実際には全ての運転状態において
排出微粒子量Mを酸化除去可能微粒子量Gよりも少くす
ることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には
通常パティキュレートフィルタ22の温度は低く、従っ
てこのときには通常排出微粒子量Mの方が酸化除去可能
微粒子量Gよりも多くなる。従って本発明による実施例
では機関始動直後のような特別の場合を除いて排出微粒
子量Mを酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくしうる機
関の運転状態のときには排出微粒子量Mが酸化除去可能
微粒子量Gよりも少なくなるようにしている。
粒子量Mの方が酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなる
とパティキュレートフィルタ22上に酸化されなかった
微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように
酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているとき
に、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないとき
に排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少く
なるとこの残留微粒子部分は活性酸素Oによって輝炎を
発することなく酸化除去される。従って本発明による実
施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときに
は、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより少な
くなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒
子しかパティキュレートフィルタ22上に積層しないよ
うに排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ2
2の温度TFが維持される。
ティキュレートフィルタ22の温度TFを維持するよう
にしていたとしても何らかの理由によりパティキュレー
トフィルタ22上に微粒子が積層状に堆積する場合があ
る。このような場合であっても排気ガスの一部又は全体
の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレート
フィルタ22上に堆積した微粒子は輝炎を発することな
く酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチ
にされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめら
れると活性酸素放出剤61から外部に活性酸素Oが一気
に放出され、これら一気に放出された活性酸素Oによっ
て堆積した微粒子が輝炎を発することなく短時間で燃焼
除去せしめられる。一方、空燃比がリーンに維持されて
いると白金Ptの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金P
tの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずると
NOx に対する酸化作用が低下するためにNOx の吸収
効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤61からの活性
酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチに
されると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素
被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切
換えられるとNOx に対する酸化作用が強まるためにN
Ox の吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤6
1からの活性酸素放出量が増大する。従って空燃比がリ
ーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリ
ッチに切換えるとその都度白金Ptの酸素被毒が解消さ
れるために空燃比がリーンであるときの活性酸素放出量
が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ22上に
おける微粒子の酸化作用を促進することができる。ま
た、セリウムCeは空燃比がリーンのときには酸素を取
込み(Ce2 O3 →2CeO2 )、空燃比がリッチにな
ると活性酸素を放出する(2CeO2 →CeO3 )機能
を有する。従って活性酸素放出剤61としてセリウムC
eを用いると空燃比がリーンのときにはパティキュレー
トフィルタ22上に微粒子が付着すると活性酸素放出剤
61から放出された活性酸素によって微粒子が酸化さ
れ、空燃比がリッチになると活性酸素放出剤61から多
量の活性酸素が放出されるために微粒子が酸化される。
従って活性酸素放出剤61としてセリウムCeを用いた
場合にも空燃比を時折リーンからリッチに切換えるとパ
ティキュレートフィルタ22上における微粒子の酸化反
応を促進することができる。
量Gがパティキュレートフィルタ22の温度TFのみの
関数として示されているがこの酸化除去可能微粒子量G
は実際には排気ガス中の酸素濃度、排気ガス中のNOx
濃度、排気ガス中の未燃HC濃度、微粒子の酸化のしや
すさの程度、パティキュレートフィルタ22内における
排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもある。
従って酸化除去可能微粒子量Gはパティキュレートフィ
ルタ22の温度TFを含む上述の全ての因子の影響を考
慮に入れて算出することが好ましい。
可能微粒子量Gに最も大きな影響を与えるのはパティキ
ュレートフィルタ22の温度TFであり、比較的大きな
影響を与えるのは排気ガス中の酸素濃度とNOx 濃度で
ある。図7(A)はパティキュレートフィルタ22の温
度TFおよび排気ガス中の酸素が変化したときの酸化除
去可能微粒子量Gの変化を示しており、図7(B)はパ
ティキュレートフィルタ22の温度TFおよび排気ガス
中のNOx 濃度が変化したときの酸化除去可能微粒子量
Gの変化を示している。なお、図7(A),(B)にお
いて破線は排気ガス中の酸素濃度およびNOx 濃度が基
準値であるときを示しており、図7(A)において〔O
2 〕1 は基準値よりも排気ガス中の酸素濃度が高いと
き、〔O2〕2 は〔O2 〕1 よりも更に酸化濃度が高い
ときを夫々示しており、図7(B)において〔NO〕1
は基準値よりも排気ガス中のNOx 濃度が高いとき、
〔NO〕2 は〔NO〕1 よりも更にNOx 濃度が高いと
きを夫々示している。
けでも酸化除去可能微粒子量Gが増大するが更に活性酸
素放出剤61内に取込まれる酸素量が増大するので活性
酸素放出剤61から放出される活性酸素も増大する。従
って図7(A)に示されるように排気ガス中の酸素濃度
が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Gは増大する。一
方、排気ガス中のNOは前述したように白金Ptの表面
上において酸化されてNO2 となる。このようにして生
成されたNO2 の一部は活性酸素放出剤61内に吸収さ
れ、残りのNO2 は白金Ptの表面から外部に離脱す
る。このとき微粒子はNO2 と接触すると酸化反応が促
進され、従って図7(B)に示されるように排気ガス中
のNOx 濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Gは
増大する。ただし、このNO2 による微粒子の酸化促進
作用は排気ガス温がほぼ250℃からほぼ450℃の間
でしか生じないので図7(B)に示されるように排気ガ
ス中のNOx 濃度が高くなるとパティキュレートフィル
タ22の温度TFがほぼ250℃から450℃の間のと
きに酸化除去可能微粒子量Gが増大する。
酸化除去可能微粒子量Gに影響を与える全ての因子を考
慮に入れて算出することが好ましい。しかしながら本発
明による実施例ではこれら因子のうちで酸化除去可能微
粒子量Gに最も大きな影響を与えるパティキュレートフ
ィルタ22の温度TFと、比較的大きな影響を与える排
気ガス中の酸素濃度およびNOx 濃度のみに基づいて酸
化除去可能微粒子量Gを算出するようにしている。
(A)から(F)に示されるようにパティキュレートフ
ィルタ22の各温度TF(200℃、250℃、300
℃、350℃、400℃、450℃)における酸化除去
可能微粒子量Gが夫々排気ガス中の酸素濃度〔O2 〕と
排気ガス中のNOx 濃度〔NO〕の関数としてマップの
形で予めROM32内に記憶されており、各パティキュ
レートフィルタ22の温度TF、酸化濃度〔O2 〕およ
びNOx 濃度〔NO〕に応じた酸化除去可能微粒子量G
が図8の(A)から(F)に示されるマップから比例配
分により算出される。
びNOx 濃度〔NO〕は酸素濃度センサおよびNOx 濃
度センサを用いて検出することができる。しかしながら
本発明による実施例では排気ガス中の酸素濃度〔O2 〕
が要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図9
(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記
憶されており、排気ガス中のNOx 濃度〔NO〕も要求
トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図9(B)
に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶され
ており、これらのマップから排気ガス中の酸素濃度〔O
2 〕およびNO x 濃度〔NO〕が算出される。
て変化するが機関の型式が定まると要求トルクTQおよ
び機関回転数Nの関数となる。図10(A)は図1に示
される内燃機関の排出微粒子量Mを示しており、各曲線
M1 ,M2 ,M3 ,M4 ,M 5 は等排出微粒子量(M1
<M2 <M3 <M4 <M5 )を示している。図10
(A)に示される例では要求トルクTQが高くなるほど
排出微粒子量Mが増大する。なお、図10(A)に示さ
れる排出微粒子量Mは要求トルクTQおよび機関回転数
Nの関数として図10(B)に示すマップの形で予めR
OM32内に記憶されている。
ような特別な運転状態を除いて排出微粒子量Mを酸化除
去可能微粒子量Gよりも少なくしうるときには排出微粒
子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるよう
に、即ち排出微粒子量M<酸化除去可能微粒子量Gなる
関係を満たすように排出微粒子量M又は酸化除去可能微
粒子量Gの少くとも一方が制御される。
出微粒子量M<酸化除去可能微粒子量Gなる関係を満た
すために排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gに近
づいたときには、例えば排出微粒子量Mが酸化除去可能
微粒子量Gから小さな一定値αを差引いた許容量(G−
α)よりも大きくなったときには排出微粒子量Mと酸化
除去可能微粒子量Gとの差が大きくなるように排出微粒
子量Mおよび酸化除去可能微粒子量Gの少くとも一方を
制御するようにしている。
いて説明する。図11を参照するとまず初めにステップ
100においてスロットル弁17の開度が制御され、次
いでステップ101ではEGR制御弁25の開度が制御
される。次いでステップ102では燃料噴射弁6からの
噴射制御が行われる。次いでステップ103では図10
(B)に示されるマップから排出微粒子量Mが算出され
る。次いでステップ104では図8の(A)から(F)
に示されるマップからパティキュレートフィルタ22の
温度TF、排気ガス中の酸素濃度〔O2 〕および排気ガ
ス中のNOx 濃度〔NO〕に応じた酸化除去可能微粒子
量Gが算出される。
が酸化除去可能微粒子量Gよりも一定値αだけ小さい許
容値(G−α)よりも大きくなったことを示すフラグが
セットされているか否かが判別される。フラグがセット
されていないときにはステップ106に進んで排出微粒
子量Mが許容値(G−α)よりも小さいか否かが判別さ
れる。M<G−αのとき、即ち排出微粒子量Mが許容値
(G−α)よりも小さいときには処理サイクルを完了す
る。これに対してステップ106においてM≧G−αで
あると判別されたとき、即ち排出微粒子量Mが許容値
(G−α)よりも大きくなったときにはステップ107
に進んでフラグがセットされ、次いでステップ108に
進む。フラグがセットされるとその後の処理サイクルで
はステップ105からステップ108にジャンプする。
化除去可能微粒子量Gから一定値βを差引いた制御解除
値(G−β)とが比較される。ここでαとβとはα<β
なる関係があり、従って許容値(G−α)と制御解除値
(G−β)とは許容値(G−α)>制御解除値(G−
β)なる関係がある。M≧G−βのとき、即ち排出微粒
子量Mが制御解除値(G−β)よりも大きいときにはス
テップ109に進んでパティキュレートフィルタ22に
おいて微粒子の連続酸化作用を続行するための制御が行
われる。即ち排出微粒子量Mと酸化除去可能微粒子量G
との差が大きくなるように排出微粒子量Mおよび酸化除
去可能微粒子量Gの少くとも一方が制御される。
になったと判断されると、即ち排出微粒子量Mが制御解
除値(G−β)よりも少なくなるとステップ110に進
んで元の運転状態に徐々に復帰する制御が行われ、フラ
グがリセットされる。このようにしてM<Gの状態に維
持される。図11のステップ109において行われる連
続酸化続行制御および図11のステップ110において
行われる復帰制御は種々のやり方があり、従って次にこ
れら連続酸化続行制御および復帰制御の種々のやり方に
ついて順次説明する。
量Mと酸化除去可能微粒子量Gとの差を大きくする方法
の一つはパティキュレートフィルタ22の温度TFを上
昇させる方法である。そこでまず初めにパティキュレー
トフィルタ22の温度TFを上昇させる方法について説
明する。パティキュレートフィルタ22の温度TFを上
昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上
死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料
Qm は図12において(I)に示されるように圧縮上死
点付近で噴射される。この場合、図12の(II)に示さ
れるように主燃料Qm の噴射時期が遅角されると後燃え
期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気
ガス温が高くなるとそれに伴ってパティキュレートフィ
ルタ22の温度TFが高くなり、その結果M<Gの状態
に維持されることになる。
度TFを上昇させるために図12の(III)に示されるよ
うに主燃料Qm に加え、吸気上死点付近において補助燃
料Q v を噴射することもできる。このように補助燃料Q
v を追加的に噴射すると補助燃料Qv 分だけ燃焼せしめ
られる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くし
てパティキュレートフィルタ22の温度TFが上昇す
る。
補助燃料Qv を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によって
この補助燃料Qv からアルデヒド、ケトン、パーオキサ
イド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中
間生成物によって主燃料Qmの反応が加速される。従っ
てこの場合には図12の(III)に示されるように主燃料
Qm の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることな
く良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Qm
の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス
温はかなり高くなり、斯くしてパティキュレートフィル
タ22の温度TFをすみやかに上昇させることができ
る。
度TFを上昇させるために図12の(IV)に示されるよ
うに主燃料Qm に加え、膨張行程中又は排気行程中に補
助燃料Qp を噴射することもできる。即ち、この場合、
大部分の補助燃料Qp は燃焼することなく未燃HCの形
で排気通路内に排出される。この未燃HCはパティキュ
レートフィルタ22上において過剰酸素により酸化さ
れ、このとき発生する酸化反応熱によってパティキュレ
ートフィルタ22の温度TFが上昇せしめられる。
(I)に示されるように主燃料Qmが噴射されていると
きに図11のステップ106においてM≧G−αになっ
たと判断されると図11のステップ109において図1
2の(II)又は(III)又は(IV)に示されるように噴射
制御される。次いで図11のステップ108においてM
<G−βになったと判断されるとステップ110におい
て図12の(I)に示す噴射方法に復帰するための制御
が行われる。
焼を用いる方法について説明する。即ち、EGR率を増
大していくとスモークの発生量が次第に増大してピーク
に達し、更にEGR率を高めていくと今度はスモークの
発生量が急激に低下することが知られている。このこと
についてEGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率
とスモークとの関係を示す図13を参照しつつ説明す
る。なお、図13において曲線AはEGRガスを強力に
冷却してEGRガス温をほぼ90℃に維持した場合を示
しており、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却
した場合を示しており、曲線CはEGRガスを強制的に
冷却していない場合を示している。
スを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセント
よりも少し低いところでスモークの発生量がピークとな
り、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上に
すればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図1
3の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した
場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いとこ
ろでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはE
GR率をほぼ65パーセント以上にすればスモークがほ
とんど発生しなくなる。また、図13の曲線Cで示され
るようにEGRガスを強制的に冷却していない場合には
EGR率が55パーセントの付近でスモークの発生量が
ピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセ
ント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
以上にするとスモークが発生しなくなるのは、EGRガ
スの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲の
ガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、そ
の結果炭化水素が煤まで成長しないからである。この低
温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制
しつつNOx の発生量を低減することができるという特
徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生
することがない。また、このときNOx も極めて少量し
か発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或い
は空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば
少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い
温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、
NOx も極めて少量しか発生しない。
の周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。こ
のことについて図14(A),(B)を参照しつつ説明
する。図14(A)の実線は低温燃焼が行われたときの
燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関係を示
しており、図14(A)の破線は通常の燃焼が行われた
ときの燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関
係を示している。また、図14(B)の実線は低温燃焼
が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Tfとク
ランク角との関係を示しており、図14(B)の破線は
通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス
温Tfとクランク角との関係を示している。
焼が行われているときに比べてEGRガス量が多く、従
って図14(A)に示されるように圧縮上死点前は、即
ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス
温Tgのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガ
ス温Tgよりも高くなっている。なお、このとき図14
(B)に示されるように燃料およびその周囲のガス温T
fは平均ガス温Tgとほぼ同じ温度になっている。次い
で圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場
合、低温燃焼が行われているときには図14(B)の実
線が示されるように燃料およびその周囲のガス温Tfは
さほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われ
ている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために
図14(B)の破線で示されるように燃料およびその周
囲のガス温Tfは極めて高くなる。このように通常の燃
焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Tf
は低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなる
が大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行
われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合
の方が低くなっており、従って図14(A)に示される
ように圧縮上死点付近における燃焼室5内の平均ガス温
Tgは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が
行われている場合に比べて高くなる。その結果、図14
(A)に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室5内
の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃
焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼
を行うと排気ガス温が高くなる。
の発生量、即ち排出微粒子量Mが少なくなり、排気ガス
温が上昇する。従ってM≧G−αとなったときに通常の
燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量Mは減少
し、しかもパティキュレートフィルタ22の温度TFが
上昇して酸化除去可能微粒子量Gが増大するので容易に
M<Gの状態を維持することができる。この低温燃焼を
用いる場合には図11のステップ106においてM≧G
−αであると判断されるとステップ109において低温
燃焼に切換えられ、次いでステップ108においてM<
G−βであると判断されるとステップ110において通
常の燃焼に切換えられる。
キュレートフィルタ22の温度TFを上昇させるための
更に別の方法について説明する。図15はこの方法を実
行するのに適した内燃機関を示している。図15を参照
するとこの内燃機関では排気管20内に炭化水素供給装
置70が配置されている。この方法では図11のステッ
プ106においてM≧G−αであると判別されるとステ
ップ109において炭化水素供給装置70から排気管2
0内に炭化水素が供給される。この炭化水素はパティキ
ュレートフィルタ22上において過剰酸素により酸化せ
しめられ、このときの酸化反応熱によってパティキュレ
ートフィルタ22の温度TFが上昇せしめられる。次い
で図11のステップ108においてM<G−βであると
判断されるとステップ110において炭化水素供給装置
70からの炭化水素の供給が停止される。なお、この炭
化水素供給装置70はパティキュレートフィルタ22と
排気ポート10との間であればどこに配置してもよい。
キュレートフィルタ22の温度TFを上昇させるための
更に別の方法について説明する。図16はこの方法を実
行するのに適した内燃機関を示している。図16を参照
するとこの内燃機関ではパティキュレートフィルタ22
下流の排気管71内にアクチュエータ72により駆動さ
れる排気制御弁73が配置されている。
いてM≧G−αであると判別されるとステップ109に
おいて排気制御弁73がほぼ全閉とされ、排気制御弁7
3をほぼ全閉にすることによる機関出力トルクの低下を
阻止するために主燃料Qm の噴射量が増大せしめられ
る。排気制御弁73をほぼ全閉にすると排気制御弁73
上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が上昇する。背圧が
上昇すると燃焼室5内から排気ガスが排気ポート10内
に排出されるときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、
従って温度もさほど低下しなくなる。しかもこのとき主
燃料Qm の噴射量が増大せしめられているので燃焼室5
内の既燃ガス温が高くなっており、従って排気ポート1
0内に排出された排気ガスの温度はかなり高くなる。そ
の結果、パティキュレートフィルタ22の温度が急速に
上昇せしめられる。
<G−βであると判断されるとステップ110において
排気制御弁73が全開せしめられ、主燃料Qm の噴射量
の増量作用が停止される。次にM<Gの状態を維持する
ためにパティキュレートフィルタ22の温度TFを上昇
させるための更に別の方法について説明する。図17は
この方法を実行するのに適した内燃機関を示している。
図17を参照するとこの内燃機関では排気タービン21
を迂回する排気バイパス通路74内にアクチュエータ7
5により制御されるウェストゲートバルブ76が配置さ
れている。このアクチュエータ75は通常サージタンク
12内の圧力、即ち過給圧に応動して過給圧が一定圧以
上にならないようにウェストゲートバルブ76の開度を
制御している。
いてM≧G−αであると判別されるとステップ109に
おいてウェストゲートバルブ76が全開せしめられる。
排気ガスは排気タービン21を通過すると温度低下する
がウェストゲートバルブ76を全開にすると大部分の排
気ガスは排気バイパス通路74内を流れるために温度低
下しなくなる。斯くしてパティキュレートフィルタ22
の温度が上昇することになる。次いで図11のステップ
108においてM<G−βであると判断されるとステッ
プ110においてウェストゲートバルブ76が閉弁せし
められ、過給圧が一定圧を越えないようにウェストゲー
トバルブ76の開度が制御される。
粒子量Mを低下させる方法について説明する。即ち、噴
射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴
射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良
好に燃焼せしめられるので微粒子は発生しなくなる。従
って排出微粒子量Mを低下させるには噴射燃料と空気と
がより一層十分に混合するようにしてやればよいことに
なる。ただし、噴射燃料と空気との混合をよくすると燃
焼が活発になるためにNOx の発生量が増大する。従っ
て排出微粒子量Mを低下させる方法は、別の言い方をす
るとNOx の発生量を増大させる方法と言える。
せる方法も種々の方法があり、従ってこれら方法につい
て順次説明する。排出微粒子量PMを低下させる方法と
して前述した低温燃焼を用いることもできるがその他の
有効な方法としては燃料噴射を制御する方法が挙げられ
る。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十
分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量
Mが低減する。
に十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒
子量Mが低減する。また、コモンレール27内の燃料
圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射
燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子
量Mが低減する。また、主燃料Qm の噴射直前の圧縮行
程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわ
ゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃
焼により酸素が消費されるために主燃料Qm 周りの空気
が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を
停止することによって排出微粒子量Mが低減する。
出微粒子量Mを低減するようにした場合には図11のス
テップ106においてM≧G−αであると判別されると
ステップ109において燃料噴射量が低下せしめられる
か、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高
められるか、又はパイロット噴射が停止され、それによ
って排出微粒子量Mが低減せしめられる。次いで図11
のステップ108においてM<G−βであると判断され
るとステップ110において元の燃料噴射状態に復帰せ
しめられる。
Mを低減するための別の方法について説明する。この方
法では図11のステップ106においてM≧G−αであ
ると判別されるとステップ109においてEGR率を低
下させるためにEGR制御弁25の開度が低下せしめら
れる。EGR率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増
大し、斯くして排出微粒子量Mが減少する。次いで図1
1のステップ108においてM<G−βであると判断さ
れるとステップ110においてEGR率が元のEGR率
まで上昇せしめられる。
Mを低減するための更に別の方法について説明する。こ
の方法では図11のステップ106においてM≧G−α
であると判別されるとステップ109において過給圧を
増大するためにウェストゲートバルブ76(図17)の
開度が減少せしめられる。過給圧が増大すると噴射燃料
周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Mが減少
する。次いで図11のステップ108においてM<G−
βであると判断されるとステップ110において過給圧
が元の過給圧に戻される。
酸素濃度を増大させる方法について説明する。排気ガス
中の酸素濃度が増大するとそれだけでも酸化除去可能微
粒子量Gが増大するが更に活性酸素放出剤61内に取込
まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤61から放
出される活性酸素量が増大し、斯くして酸化除去可能微
粒子量Gが増大する。
GR率を制御する方法が挙げられる。即ち、図11のス
テップ106においてM≧G−αであると判別されると
ステップ109においてEGR率が低下するようにEG
R制御弁25の開度が減少せしめられる。EGR率が低
下するということは吸入空気中における吸入空気量の割
合が増大することを意味しており、斯くしてEGR率が
低下すると排気ガス中の酸素濃度が上昇する。その結
果、酸化除去可能微粒子量Gが増大する。また、EGR
率が低下すると前述したように排出微粒子量Mが減少す
る。従ってEGR率が低下すると排出微粒子量Mと酸化
除去可能微粒子量Gとの差が急速に大きくなる。次いで
図11のステップ108においてM<G−βであると判
断されるとステップ110においてEGR率が元のEG
R率に戻される。
めに2次空気を用いる方法について説明する。図18に
示す例では排気タービン21とパティキュレートフィル
タ22との間の排気管77が2次空気供給導管78を介
して吸気ダクト13に連結され、2次空気供給導管78
内に供給制御弁79が配置される。また、図19に示す
例では2次空気供給導管78が機関駆動のエアポンプ8
0に連結されている。なお、排気通路内への2次空気の
供給位置はパティキュレートフィルタ22と排気ポート
10との間であればどこでもよい。
は図11のステップ106においてM≧G−αであると
判別されるとステップ109において供給制御弁79が
開弁せしめられる。その結果、2次空気供給導管78か
ら排気管77に2次空気が供給され、斯くして排気ガス
中の酸素濃度が増大せしめられる。次いで図11のステ
ップ108においてM<G−βであると判断されるとス
テップ110において供給制御弁79が閉弁せしめられ
る。
いて単位時間当り酸化せしめられる酸化除去微粒子量G
Gを逐次算出し、排出微粒子量Mが算出された酸化除去
微粒子量GGよりも少なくなるように排出微粒子量M又
は酸化除去微粒子量GGの少くとも一方を制御するよう
にした実施例について説明する。前述したように微粒子
がパティキュレートフィルタ22上に付着するとこの微
粒子は短時間のうちに酸化せしめられるがこの微粒子が
完全に酸化除去せしめられる前に他の微粒子が次から次
へとパティキュレートフィルタ22に付着する。従って
実際にはパティキュレートフィルタ22上には或る程度
の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微
粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられる。こ
の場合、単位時間当りに酸化除去せしめられる微粒子G
Gが排出微粒子量Mと同じであれば排気ガス中の全微粒
子はパティキュレートフィルタ22上において酸化除去
せしめられる。しかしながら排出微粒子量Mが単位時間
当りに酸化除去せしめられる微粒子量GG量よりも多く
なるとパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量
は次第に増大し、ついには微粒子が積層状に堆積して低
い温度では着火しえなくなる。
子量GGと同じか又は酸化除去微粒子量GGよりも少な
ければ排気ガス中の全微粒子をパティキュレートフィル
タ22上において酸化除去せしめることができる。従っ
てこの実施例では排出微粒子量Mと酸化除去微粒子量G
GとがM<GGとなるようにパティキュレートフィルタ
22の温度TFや排出微粒子量M等を制御するようにし
ている。
うに表すことができる。 GG(g/sec)=C・EXP(−E/RT)・〔P
M〕l ・(〔O2 〕m+〔NO〕n ) ここでCは定数、Eは活性化エネルギ、Rはガス定数、
Tはパティキュレートフィルタ22の温度TF、〔P
M〕はパティキュレートフィルタ22上における微粒子
の堆積濃度(mol/cm2 )、〔O2 〕は排気ガス中の酸素
濃度、〔NO〕は排気ガス中のNOx 濃度を夫々示して
いる。
排気ガス中の未燃HC濃度、微粒子の酸化のしやすさの
程度、パティキュレートフィルタ22内における排気ガ
ス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもあるがここで
はこれらの影響を考えないこととする。上式からわかる
ように酸化除去微粒子量GGはパティキュレートフィル
タ22の温度TFが上昇すると指数関数的に増大する。
また、微粒子の堆積濃度〔PM〕が増大すれば酸化除去
される微粒子が増大するので「PM〕が増大するほど酸
化除去微粒子量GGは増大する。しかしながら微粒子の
堆積濃度〔PM〕が高くなるほど酸化しずらい位置に堆
積する微粒子量が増大するので酸化除去微粒子量GGの
増大率は次第に減少する。従って微粒子の堆積濃度〔P
M〕と上式中の〔PM〕l との関係は図20(A)に示
されるようになる。
くなれば前述したようにそれだけでも酸化除去微粒子量
GGは増大するが更に活性酸素放出剤61から放出され
る活性酸素量が増大する。従って排気ガス中の酸素濃度
〔O2 〕が高くなるとそれに比例して酸化除去微粒子量
GGは増大し、斯くして排気ガス中の酸素濃度〔O2〕
と上式中の〔O2 〕m との関係は図20(B)に示され
るようになる。
高くなると前述したようにNO2 の発生量が増大するの
で酸化除去微粒子量GGは増大する。しかしながらNO
からNO2 への変換は前述したように排気ガス温がほぼ
250℃からほぼ450℃の間でしか生じない。従って
排気ガス中のNOx 濃度〔NO〕と上式中の〔NO〕 n
との関係は、排気ガス温がほぼ250℃から450℃の
間のときには図20(C)の実線〔NO〕n 1 で示され
るように〔NO〕が増大するにつれて〔NO〕 n が増大
するが、排気ガス温がほぼ250℃以下又はほぼ450
℃以上では図20(C)の実線〔NO〕n 0 で示される
ように〔NO〕にかかわらずに〔NO〕 n 0 はほぼ零と
なる。
に基づいて酸化除去微粒子量GGが算出される。このと
き堆積している微粒子量をPM(g)とするとこの微粒
子のうち酸素除去微粒子量GGに相当する微粒子が除去
され、新たに排出微粒子量Mに相当する微粒子がパティ
キュレートフィルタ22上に付着する。従って最終的な
微粒子の堆積量は次式で表されることになる。
る。図21を参照するとまず初めにステップ200にお
いてスロットル弁17の開度が制御され、次いでステッ
プ201ではEGR制御弁25の開度が制御される。次
いでステップ202では燃料噴射弁6からの噴射制御が
行われる。次いでステップ103では図10(B)に示
されるマップから排出微粒子量Mが算出される。次いで
ステップ204では次式に基づいて酸化除去微粒子量G
Gが算出される。
M〕l ・(〔O2 〕m +〔NO〕n ) 次いでステップ205では次式に基づいて最終的な微粒
子の堆積量PMが算出される。 PM←PM+M−GG 次いでステップ206では排出微粒子量Mが酸化除去微
粒子量GGよりも一定値αだけ小さい許容値(GG−
α)よりも大きくなったことを示すフラグがセットされ
ているか否かが判別される。フラグがセットされていな
いときにはステップ207に進んで排出微粒子量Mが許
容値(GG−α)よりも小さいか否かが判別される。M
<GG−αとき、即ち排出微粒子量Mが許容値(GG−
α)よりも小さいときには処理サイクルを完了する。
GG−αであると判別されたとき、即ち排出微粒子量M
が許容値(GG−α)よりも大きくなったときにはステ
ップ208に進んでフラグがセットされ、次いでステッ
プ209に進む。フラグがセットされるとその後の処理
サイクルではステップ206からステップ209にジャ
ンプする。
化除去微粒子量GGから一定値βを差引いた制御解除値
(GG−β)とが比較される。ここでαとβとは前述し
たようにα<βなる関係があり、従って許容値(GG−
α)と制御解除値(GG−β)とは許容値(GG−α)
>制御解除値(GG−β)なる関係がある。M≧GG−
βのとき、即ち排出微粒子量Mが制御解除値(GG−
β)よりも大きいときにはステップ210に進んでパテ
ィキュレートフィルタ22において微粒子の連続酸化作
用を続行するための制御、即ち前述したようにパティキ
ュレートフィルタ22の温度TFを上昇させるための制
御、又は排出微粒子量Mを低下させるための制御、又は
排気ガス中の酸素濃度を高めるための制御が行われる。
βになったと判断されると、即ち排出微粒子量Mが制御
解除値(GG−β)よりも少なくなるとステップ211
に進んで元の運転状態に徐々に復帰する制御が行われ、
フラグがリセットされる。さて、これまで述べた実施例
ではパティキュレートフィルタ22の各隔壁54の両側
面上および隔壁54内の細孔内壁面上に例えばアルミナ
からなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金
属触媒および活性酸素放出剤が担持されている。この場
合、この担体上にパティキュレートフィルタ22に流入
する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に
含まれるNOx を吸収しパティキュレートフィルタ22
に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチに
なると吸収したNOx を放出するNOx 吸収剤を担持さ
せることもできる。
白金Ptが用いられ、NOx 吸収剤としてはカリウム
K、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ル
ビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カ
ルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土
類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から
選ばれた少くとも一つが用いられる。なお、前述した活
性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるように
NOx 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成
する金属とは大部分が一致している。
出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同
一の金属を用いることもできる。NOx 吸収剤および活
性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはNOx
吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との
双方の機能を同時に果すことになる。次に貴金属触媒と
して白金Ptを用い、NOx 吸収剤としてカリウムKを
用いた場合を例にとってNOx の吸放出作用について説
明する。
するとNOx は図4(A)に示すメカニズムと同じメカ
ニズムでもってNOx 吸収剤に吸収される。ただし、こ
の場合図4(A)において符号61はNOx 吸収剤を示
す。即ち、パティキュレートフィルタ22に流入する排
気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に多量の
過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレー
トフィルタ22の排気ガス流入通路50内に流入すると
図4(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO2 - 又
はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、排気ガ
ス中のNOは白金Ptの表面上でO2 - 又はO2-と反応
し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次いで
生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸化されつつN
Ox 吸収剤61内に吸収され、カリウムKと結合しなが
ら図4(A)に示されるように硝酸イオンNO3 - の形
でNOx 吸収剤61内に拡散し、一部の硝酸イオンNO
3 - は硝酸カリウムKNO3 を生成する。このようにし
てNOがNOx 吸収剤61内に吸収される。
入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンNO3 - は
酸素とOとNOに分解され、次から次へとNOx 吸収剤
61からNOが放出される。従ってパティキュレートフ
ィルタ22に流入する排気ガスの空燃比がリッチになる
と短時間のうちにNOx 吸収剤61からNOが放出さ
れ、しかもこの放出されたNOが還元されるために大気
中にNOが排出されることはない。
タ22に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にして
もNOx 吸収剤61からNOが放出される。しかしなが
らこの場合にはNOx 吸収剤61からNOが徐々にしか
放出されないためにNOx 吸収剤61に吸収されている
全NOx を放出させるには若干長い時間を要する。とこ
ろで前述したようにNOx 吸収剤および活性酸素放出剤
として夫々異なる金属を用いることもできるし、NOx
吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いる
こともできる。NOx 吸収剤および活性酸素放出剤とし
て同一の金属を用いた場合には前述したようにNOx 吸
収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双
方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機
能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・NOx 吸収
剤と称する。この場合には図4(A)における符号61
は活性酸素放出・NOx 吸収剤を示すことになる。
1を用いた場合、パティキュレートフィルタ22に流入
する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に
含まれるNOは活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収
され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・N
Ox 吸収剤61に付着するとこの微粒子は活性酸素放出
・NOx 吸収剤61から放出される活性酸素等によって
短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき
排気ガス中の微粒子およびNOx の双方が大気中に排出
されるのを阻止することができることになる。
入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出
・NOx 吸収剤61からNOが放出される。このNOは
未燃HC,COにより還元され、斯くしてこのときにも
NOが大気中に排出されることがない。また、このとき
パティキュレートフィルタ22上に微粒子が堆積してい
た場合にはこの微粒子は活性酸素放出・NOx 吸収剤6
1から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられ
る。
Ox 吸収剤が用いられた場合にはNOx 吸収剤又は活性
酸素放出・NOx 吸収剤のNOx 吸収能力が飽和する前
に、NOx 吸収剤又は活性酸素放出・NOx 吸収剤から
NOx を放出するためにパティキュレートフィルタ22
に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ
る。即ち、リーン空燃比のもとで燃焼が行われていると
きに時折空燃比が一時的にリッチにされる。
22の両側面上に形成された担体の層上に白金Ptのよ
うな貴金属のみを担持した場合にも適用することができ
る。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Gを示
す実線は図5に示す実線に比べて若干右側に移動する。
この場合には白金Ptの表面上に保持されるNO2 又は
SO3 から活性酸素が放出される。
O3 を吸着保持し、これら吸着されたNO2 又はSO3
から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
更に本発明は、パティキュレートフィルタ上流の排気通
路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス
中のNOをNO2 に変換し、このNO2 とパティキュレ
ートフィルタ上に堆積した微粒子とを反応させてこのN
O2 により微粒子を酸化するようにした排気ガス浄化装
置にも適用できる。
フィルタ上において連続的に酸化除去することができ
る。
ルタの温度との関係を示す図である。
る。
プを示す図である。
である。
る。
る。
る。
る。
である。
Claims (41)
- 【請求項1】 燃焼室から排出された排気ガス中の微粒
子を除去するためのパティキュレートフィルタとして、
単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパ
ティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎
を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量
よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュ
レートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化
除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、該
排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくし
うる機関の運転状態のときには該排出微粒子量が該酸化
除去可能微粒子量よりも少なくなるように該排出微粒子
量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御す
るようにした排気ガス浄化方法。 - 【請求項2】 パティキュレートフィルタ上に貴金属触
媒を担持した請求項1に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項3】 周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込
んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持
した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパ
ティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレート
フィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤か
ら活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパ
ティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させ
るようにした請求項2に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項4】 上記活性酸素放出剤がアルカリ金属又は
アルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請求
項3に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項5】 上記アルカリ金属およびアルカリ土類金
属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる
請求項4に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項6】 上記活性酸素放出剤は、パティキュレー
トフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき
には排気ガス中のNOx を吸収しパティキュレートフィ
ルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッ
チになると吸収したNOx を放出する機能を有している
請求項3に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項7】 該酸化除去可能微粒子量がパティキュレ
ートフィルタの温度の関数である請求項1に記載の排気
ガス浄化方法。 - 【請求項8】 該酸化除去可能微粒子量はパティキュレ
ートフィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又は
NOx 濃度の少くとも一つの関数である請求項7に記載
の排気ガス浄化方法。 - 【請求項9】 該酸化除去可能微粒子量が少くともパテ
ィキュレートフィルタの温度の関数として予め記憶され
ている請求項7に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項10】 該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒
子量よりも少なくしうる機関の運転状態のときに該排出
微粒子量と該酸化除去可能微粒子量とが互いに近づいた
ときには該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量より
も少なくかつ該排出微粒子量と該酸化除去可能微粒子量
との差が大きくなるように排出微粒子量と酸化除去可能
微粒子量の少くとも一方を制御するようにした請求項1
に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項11】 パティキュレートフィルタの温度を上
昇させることにより該排出微粒子量と該酸化除去可能微
粒子量との差を大きくするようにした請求項10に記載
の排気ガス浄化方法。 - 【請求項12】 該排出微粒子量を減少させることによ
り該排出微粒子量と該酸化除去可能微粒子量との差を大
きくするようにした請求項10に記載の排気ガス浄化方
法。 - 【請求項13】 排気ガス中の酸素濃度を高めることに
より該排出微粒子量と該酸化除去可能微粒子量との差を
大きくするようにした請求項10に記載の排気ガス浄化
方法。 - 【請求項14】 燃焼室から排出された排気ガス中の微
粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとし
て、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量
がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに
輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒
子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティ
キュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく
酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用
い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当り
に輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去
微粒子量を算出し、該排出微粒子量を該酸化除去可能微
粒子量よりも少なくしうる機関の運転状態のときには該
排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも少なくなるよ
うに該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少く
とも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法。 - 【請求項15】 燃焼室から排出された排気ガス中の微
粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとし
て、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量
がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに
輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒
子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティ
キュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく
酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流
入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中
のNOx を吸収しパティキュレートフィルタに流入する
排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収
したNOx を放出する機能を有するパティキュレートフ
ィルタを用い、該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子
量よりも少なくしうる機関の運転状態のときには該排出
微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるよ
うに該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少く
とも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法。 - 【請求項16】 機関排気通路内に燃焼室から排出され
た排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレー
トフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとし
て、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量
がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに
輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒
子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティ
キュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく
酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用
い、該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少
なくしうる機関の運転状態のときには該排出微粒子量が
該酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるように該排出
微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を
制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置。 - 【請求項17】 パティキュレートフィルタ上に貴金属
触媒を担持した請求項16に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項18】 周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取
込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保
持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤を
パティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレー
トフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤
から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によって
パティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化さ
せるようにした請求項17に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項19】 上記活性酸素放出剤がアルカリ金属又
はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請
求項18に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項20】 上記アルカリ金属およびアルカリ土類
金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からな
る請求項19に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項21】 上記活性酸素放出剤は、パティキュレ
ートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのと
きには排気ガス中のNOx を吸収しパティキュレートフ
ィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリ
ッチになると吸収したNOx を放出する機能を有してい
る請求項18に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項22】 該酸化除去可能微粒子量がパティキュ
レートフィルタの温度の関数である請求項16に記載の
排気ガス浄化装置。 - 【請求項23】 該酸化除去可能微粒子量はパティキュ
レートフィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又
はNOx 濃度の少くとも一つの関数である請求項22に
記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項24】 該酸化除去可能微粒子量を少くともパ
ティキュレートフィルタの温度の関数の形で予め記憶し
ている記憶手段を具備した請求項22に記載の排気ガス
浄化装置。 - 【請求項25】 上記制御手段は、該排出微粒子量を該
酸化除去可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運転状
態のときに該排出微粒子量と該酸化除去可能微粒子量と
が互いに近づいたときには該排出微粒子量が該酸化除去
可能微粒子量よりも少なくかつ該排出微粒子量と該酸化
除去可能微粒子量との差が大きくなるように排出微粒子
量と酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御する請
求項16に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項26】 上記制御手段は、パティキュレートフ
ィルタの温度を上昇させることによって該排出微粒子量
と該酸化除去可能微粒子量との差を大きくする請求項2
5に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項27】 上記制御手段は、排気ガス温が上昇す
るように燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を
制御することによってパティキュレートフィルタの温度
を上昇させる請求項26に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項28】 上記制御手段は、主燃料の噴射時期を
遅角させるか、又は主燃料に加え補助燃料を噴射するこ
とによって排気ガス温を上昇させる請求項27に記載の
排気ガス浄化装置。 - 【請求項29】 機関が、再循環排気ガス量を増大して
いくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循
環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなく
なる機関からなり、上記制御手段は、再循環排気ガス量
を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも多
くすることによって排気ガス温を上昇させ、それによっ
てパティキュレートフィルタの温度を上昇させるように
した請求項26に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項30】 パティキュレートフィルタ上流の排気
通路内に炭化水素供給装置を配置し、該炭化水素供給装
置から排気通路内に炭化水素を供給することによってパ
ティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした
請求項26に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項31】 パティキュレートフィルタ下流の排気
通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁を閉弁するこ
とによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させ
るようにした請求項26に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項32】 排気タービンを迂回する排気ガス量を
制御するためのウエストゲートバルブを備えた排気ター
ボチャージャを具備しており、ウエストゲートバルブを
開弁することによってパティキュレートフィルタの温度
を上昇させるようにした請求項26に記載の排気ガス浄
化装置。 - 【請求項33】 上記制御手段は、該排出微粒子量を減
少させることによって該排出微粒子量と該酸化除去可能
微粒子量との差を大きくする請求項25に記載の排気ガ
ス浄化装置。 - 【請求項34】 上記制御手段は、排出微粒子量が減少
するように燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧
又は補助燃料の噴射を制御する請求項33に記載の排気
ガス浄化装置。 - 【請求項35】 吸入空気を過給するための過給手段を
具備し、上記制御手段は、過給圧を増大させることによ
って排出微粒子量を減少させる請求項33に記載の排気
ガス浄化装置。 - 【請求項36】 排気ガスを吸気通路内に再循環させる
ための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、
排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子
量を減少させる請求項33に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項37】 上記制御手段は、排気ガス中の酸素濃
度を高めることによって該排出微粒子量と該酸化除去可
能微粒子量との差を大きくする請求項25に記載の排気
ガス浄化装置。 - 【請求項38】 排気ガスを吸気通路内に再循環させる
ための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、
排気ガス再循環率を減少させることによって排気ガス中
の酸素濃度を高くする請求項37に記載の排気ガス浄化
装置。 - 【請求項39】 パティキュレートフィルタ上流の排気
通路内に2次空気を供給するための2次空気供給装置を
具備し、上記制御手段は、パティキュレートフィルタ上
流の排気通路内に2次空気を供給することによって排気
ガス中の酸素濃度を高くする請求項37に記載の排気ガ
ス浄化装置。 - 【請求項40】 機関排気通路内に燃焼室から排出され
た排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレー
トフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとし
て、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量
がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに
輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒
子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティ
キュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく
酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用
い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当り
に輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去
微粒子量を算出する算出手段と、該排出微粒子量を該酸
化除去可能微粒子量よりも少なくしうる機関の運転状態
のときには該排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも
少なくなるように該排出微粒子量又は該酸化除去可能微
粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備した排
気ガス浄化装置。 - 【請求項41】 機関排気通路内に燃焼室から排出され
た排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレー
トフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとし
て、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量
がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに
輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒
子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティ
キュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく
酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流
入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中
のNOx を吸収しパティキュレートフィルタに流入する
排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収
したNOx を放出する機能を有するパティキュレートフ
ィルタを用い、該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子
量よりも少なくしうる機関の運転状態のときには該排出
微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるよ
うに該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少く
とも一方を制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装
置。
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- 2001-02-15 JP JP2001038897A patent/JP3807234B2/ja not_active Expired - Fee Related
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